遊離ヘムと鎌状赤血球ヘモグロビンの重合

鎌状赤血球貧血の主要な病原性イベントである鎌状赤血球ヘモグロビン（HBS）の重合のための新しいコントロールパラメーターを求めて、鎌状赤血球で過度に放出される可能性のある遊離ヘムの役割を探ります。研究室で通常使用されるHBS溶液中の遊離ヘムの濃度は、0.02-0.04モルヘム/モルHBSであることを示しています。HBS溶液からの小分子の透析がHBS重合を阻止することを示しています。100〜260μmの遊離ヘムを透析したHBS溶液に添加すると、透析前よりも核形成とポリマー繊維の成長率が2桁速くなります。ヘムによる核生成強化のメカニズムの理解に向けて、66μmの濃度の遊離ヘムが、HBSポリマー核形態の位置である密なHBS液体のメタストラブルクラスターの体積を2桁増加させることを示します。これらの結果は、鎌状赤血球貧血患者の赤血球における遊離ヘム濃度のスパイクが、鎌状赤血球貧血の臨床症状の複雑さの重要な要因である可能性があることを示唆しています。赤血球サイトゾルにおける遊離ヘム蓄積の予防は、鎌状赤血球療法の新しい手段かもしれません。

In search of novel control parameters for the polymerization of sickle cell hemoglobin (HbS), the primary pathogenic event of sickle cell anemia, we explore the role of free heme, which may be excessively released in sickle erythrocytes. We show that the concentration of free heme in HbS solutions typically used in the laboratory is 0.02-0.04 mole heme/mole HbS. We show that dialysis of small molecules out of HbS solutions arrests HbS polymerization. The addition of 100-260 μM of free heme to dialyzed HbS solutions leads to rates of nucleation and polymer fiber growth faster by two orders of magnitude than before dialysis. Toward an understanding of the mechanism of nucleation enhancement by heme, we show that free heme at a concentration of 66 μM increases by two orders of magnitude the volume of the metastable clusters of dense HbS liquid, the locations where HbS polymer nuclei form. These results suggest that spikes of the free heme concentration in the erythrocytes of sickle cell anemia patients may be a significant factor in the complexity of the clinical manifestations of sickle cell anemia. The prevention of free heme accumulation in the erythrocyte cytosol may be a novel avenue to sickle cell therapy.